Rotationsrheometer

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COUETTE-Typ- und SEARLE-Typ Rheometer (Autor: Prof. Dr. H.-J. Radusch)

Messprinzipien

Rotationsrheometer werden in der Rheologie zur Bestimmung von Fluideigenschaften eingesetzt. Sie sind dadurch charakterisiert, dass sie über zwei rotationssymmetrische Bauteile (z. B. Kreisplatten) verfügen, die auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind und zwischen denen sich die zu prüfende Flüssigkeit befindet [1].
Aus der Winkelgeschwindigkeit ω des rotierenden Teils ergeben sich die Schergeschwindigkeit dγ/ dt und aus dem angelegten Drehmoment M_d die Schubspannung τ. Das Messprinzip der Rotationsrheometer ist in der DIN EN ISO 3219 [2] standardisiert. Es gibt zwei Möglichkeiten, die den Rotationsrheometern zugrunde liegende Geometrie für die Bestimmung der Fließcharakteristika zu nutzen:

• CS-Rheometer (CS = Controlled Stress), bei denen eine definierte Schubspannung vorgegeben und das Geschwindigkeitsgefälle, das der Viskosität proportional ist, bestimmt wird und

• CR-Rheometer (CR = Controlled Rate), bei denen eine definierte Schergeschwindigkeit vorgegeben und die resultierende Schubspannung bestimmt wird.

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal von Rheometern ist die Art und Weise des Antriebes eines der beiden Wirkelemente. Man unterscheidet dabei in COUETTE- und SEARLE-Messsysteme.

COUETTE-Messprinzip

Bei dem COUETTE-Messprinzip wird der äußere Zylinder bzw. die untere Platte von einem Elektromotor M₁ angetrieben (Bild 1). Die zu charakterisierende Flüssigkeit wird im Messspalt zum Fließen gebracht, wobei der Widerstand gegen Scherung ein viskositätsproportionales Drehmoment M_d1 auf den inneren Zylinder bzw. den oberen Drehkörper überträgt.

Bild 1:

CR-Rotationsrheometer nach COUETTE [3]

Der Innenzylinder ist mit einem zweiten Motor M₂ gekoppelt, der ein dem Motor M₁ entgegengesetztes Drehmoment M_d2 aufbringen kann. Das vom Außenzylinder bzw. der unteren Platte über die Flüssigkeit übertragene, der Viskosität proportionale Drehmoment ΔM_d wird dadurch bestimmt, in dem das Drehmoment des Motors M₂ solange eingeregelt wird, bis der Innenzylinder trotz Fließens der Prüfsubstanz im Messspalt in seiner Ruhestellung verbleibt. Damit ist die kompensatorisch gemessene elektrische Leistung des Motors M_d2 die Messgröße für das Drehmoment. Das Geschwindigkeitsgefälle ergibt sich aus der vorgegebenen Drehzahl des äußeren Zylinders bzw. der unteren Platte.

SEARLE-Messprinzip

Die SEARLE-Messsysteme sind dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Zylinder bzw. die untere Platte stationär angeordnet ist. Der innere Zylinder, Drehkörper oder Rotor wird von einem geregelten Elektromotor M angetrieben, für den definierte Drehmomentwerte vorgegeben werden können (Bild 2). Jede Erhöhung der elektrischen Energie wird linear in entsprechende Drehmomentwerte an der Drehkörperachse umgesetzt.

Bild 2:

CR- und CS Rotationsrheometer nach SEARLE [3]

Durch den Widerstand, den die Flüssigkeit dem Drehmoment bzw. der erzeugten Schubspannung entgegensetzt, kann sich der Drehkörper nur mit einer bestimmten Drehzahl, d. h. einem bestimmten Geschwindigkeitsgefälle drehen, die der Viskosität der untersuchten Flüssigkeit entspricht. Die sich ergebende Drehzahl n wird mit einem optischen Sensor gemessen, wodurch auch kleine Drehwinkel φ detektiert werden können.

Bei den SEARLE-Typ-Rheometern wirken sowohl das aufgebrachte Drehmoment als auch die resultierende Rotordrehzahl n auf die gleiche Rotorachse [3]. Das CR- bzw. CS-Prinzip kann mit dem SEARLE als auch mit dem COUETTE-Messsystem gekoppelt sein (siehe Bilder 1 und 2).

Die wichtigsten unterschiedlichen geometrischen und technischen Ausführungsformen der Rotationsrheometer sind:

• Kegel-Platte-Rheometer,
• Platte-Platte-Rheometer und
• Koaxiales Zylinderrheometer.

Danksagung

Die Herausgeber des Lexikons danken Prof. Dr. H.-J. Radusch, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg und Polymer Service GmbH Merseburg für diesen Gastbeitrag.

Literaturhinweise

[1]	Radusch, H.-J.: Bestimmung verarbeitungstechnischer Eigenschaften. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 53–55, (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
[2]	DIN EN ISO 3219 (2021-08): Rheologie – Teil 1: Allgemeine Grundlagen der Rotations- und Oszillationsrheometrie und Teil 2: Allgemeine Begriffe der Rotations- und Oszillationsrheometrie
[3]	Schramm, G.: Einführung in die Rheologie und Rheometrie. Gebrüder Haake GmbH, Karlsruhe, 2. Auflage (2004) (Inhaltsverzeichnis als pdf)